遺傳定律HPS教學中促進學生科學精神養成的課程資源開發

閆白洋

(上海市行知中學 上海 201999)

科學精神是科學教育的核心內容之一[1]。相比科學知識和科學方法，目前，科學教育中科學精神的培養普遍缺失[2]。科學史、科學哲學和科學社會學(history， philosophy and sociology of science，簡稱HPS)不僅蘊含著科學知識的形成過程，還蘊含著科學家的創造性思維方式和科學方法，體現了科學態度和科學精神。因此，HPS對培養學生的科學精神有著重要的價值。要有效地實施科學精神教育，教師必須能正確把握科學精神的本質，理解科學精神演化的歷史進程。本文以遺傳定律的HPS教學為例，挖掘遺傳定律發現歷程中的科學精神，為促進學生科學精神的養成提供參考。

1 遺傳定律HPS教學中的科學精神

1.1 遺傳定律HPS教學中的求實和實證精神 任何科學工作，必須立足于客觀依據。1854年夏天，孟德爾(Gregor Johann Mendel)從34株不同品種的豌豆中挑選了22株進行實驗研究。1856年到1863年，孟德爾種植和檢測了28 000棵豌豆，分析了7對性狀。1865年，孟德爾關于豌豆的實驗結果，在布隆自然史學會會議上得到了討論，并發表于1866年的學術會刊上。之后，孟德爾花了5年時間，試圖通過雜交山柳菊去驗證遺傳定律。1870年，孟德爾發表論文提到沒有驗證出豌豆中的遺傳規律。在整個過程中，可以看出孟德爾的發現均基于客觀的實驗數據，并不斷地去求實和驗證。19世紀90年代，荷蘭生物學家德佛里斯(Hugo de Vries)對具有黑白標志的罌粟進行了一系列雜交實驗，觀察到了3∶1比例，并在15個物種中觀察到了分離定律現象。德國生物學家科倫斯(Carl Erich Correns)在玉米的雜交實驗中，觀察到了3∶1比例。奧地利生物學家丘謝瑪克(Erich von Tschermak)利用豌豆的子葉顏色和種子性狀實驗，觀察到了3∶1比例。1911年，摩爾根(Thomas Hunt Morgan)以果蠅為實驗材料，通過白眼突變果蠅與正常紅眼果蠅交配，發現了伴性遺傳規律，并第一次證明了基因在染色體上。后來，摩爾根用灰身殘翅果蠅與黑身長翅果蠅雜交，發現了連鎖與互換定律。由此可知，遺傳定律發現的過程，就是無數科學家求實和實證的過程。求實和實證精神是科學家進行科學研究的必備品質。

1.2 遺傳定律HPS教學中的懷疑和批判精神 懷疑和批判精神是對已有的結論、對曾有的權威，皆應保持某種理性的存疑。在遺傳定律發現過程中，充滿著許多科學家的懷疑和批判，也就是這些懷疑和批判使遺傳定律越來越完善。1868年，達爾文(Charles Robert Darwin)提出了遺傳現象的泛生說理論，認為組成身體的細胞都能產生微粒，并由循環系統帶到生殖細胞，并集合一起形成后代。在一段時間內，遺傳的泛生說理論被人們所認可，但是也有很多科學家如德佛里斯、高爾頓(Francis Galton)和威斯曼(August Weismann)等，都提出了質疑并進行實驗證明，其中高爾頓用白兔的血注入黑兔體內，實驗證明泛生說理論是錯誤的。在孟德爾提出遺傳定律時，也被很多科學家所懷疑和批判，甚至孟德爾自己都在懷疑和批判自己的理論。主要原因是： 當時很多自然學家在牛的肉奶產量、綿羊產毛量等多基因控制的性狀實驗中，沒有觀察到3∶1現象。在慕尼黑植物學教授耐格里(Carl Nageli)指引下，孟德爾利用山柳菊進行實驗，結果以失敗告終(山柳菊是孤雌生殖)。法國遺傳學家丘諾特(L. Cuenot)進行了關于家鼠毛色的實驗研究，結果出現了2∶1的現象(胚胎致死)。美國胚胎學家摩爾根對孟德爾遺傳定律也是持著懷疑和批判的態度。在當時科學發展狀況下，人們還不知道孟德爾的“遺傳因子”與染色體之間關系，科學家提出的懷疑是合理，也是科學發展所需要的。

1.3 遺傳定律HPS教學中的繼承和創新精神 科學研究是一個長期的過程，繼承和創新精神在科學研究中至關重要。德國科學家科爾羅伊特(Josef Gottlieb Koelreuter)是第一個從事植物雜交研究的科學家，并發明了植物的人工雜交技術；英國育種學家奈特(Thomas Night)觀察到豌豆的性狀區分明顯，并且是嚴格的自花傳粉植物。法國科學家薩葉里在從事葫蘆科植物的雜交實驗，發現了性狀的獨立分配現象。德國科學家格特納(C.F. Gaertner)做了1萬多項植物雜交實驗，分析了9 000多個實驗結果，發現了F2代植株同F1代植株比較時，F2植株有很大的變異性，由于他把子代作為一個整體來分析，沒有統計雜交后代中的個別性狀。法國科學家諾丁(C. Naudin)發現了生殖細胞形成過程中的性狀分離現象，但他沒有從概率的角度統計各個性狀出現的頻率。這些早期的研究為孟德爾的研究提供了參考，也是孟德爾成功重要原因。同樣，孟德爾發現的遺傳定律也為其他科學家的研究提供參考，很多科學家的實驗擴展了孟德爾的工作，并證明了孟德爾定律除了在植物中適用外，在動物中也同樣適用。摩爾根的果蠅實驗，也是基于孟德爾學說進行的，并在此基礎上證明了基因位于染色體上，以及遺傳學中連鎖與互換定律。

1.4 遺傳定律HPS教學中的互助和協作精神 縱觀歷史，很多科學的發現以及完善往往都是多代科學家互助和協作共同完成的。遺傳定律的發現，孟德爾提出了實驗現象，但并沒有完美解釋。1900年德弗里斯、科倫斯和丘歇瑪克三個人重現了孟德爾遺傳定律現象，使世人關注了遺傳定律現象。之后，貝特森(William Bateson)引入了F1代、F2代、等位基因、合子、純合子、異合子等遺傳學特有的符號。丹麥植物學家約翰森(Wihelm Ludvig Johannsen)引入了基因(gene)這一術語代表遺傳因子，創造了表現型和基因型等遺傳學專用名詞。魏斯曼為孟德爾遺傳定律提供了細胞學基礎。他提出每種生物都由兩種不同成分組成，即種質和體質。有絲分裂是體質細胞的分裂方式，保持染色體數目恒定。減數分裂是種質細胞的分裂方式，使染色體數目減半。受精后，精卵細胞融合又恢復成正常的染色體數目。1910年，一些生物學家發現，在配子形成和受精過程中，成對的遺傳因子位于精子和卵子提供的成對的染色體上。波弗里(Theodor Boveri)證明了細胞核控制遺傳，認為不同染色體具有不同的性質。薩頓(Walter Stanborough Sutton)提出成對染色體在減數分裂過程中的分離，是“孟德爾遺傳規律的物理基礎”。摩爾根證明了基因位于染色體上。詹森(Frans Alfons Jansses)提出了在減數分裂早期時，同源染色體相互纏繞在一起。科學家的共同協作，完善了遺傳定律。由此可以看出，遺傳定律絕不是某個人能夠發現的，是靠著許多科學家不斷地去互助協同、探索研究的。

1.5 遺傳定律HPS教學中的不怕失敗和執著精神 遺傳定律的發現到完善經歷近100年，這個過程是科學家不斷失敗、不斷實踐、不斷探索的過程。孟德爾利用了8年時間進行了豌豆實驗，取得了成果，并沒有被人們所認可。之后，孟德爾花了5年時間，試圖通過雜交山柳菊驗證遺傳定律，結果失敗了。即使在1900年遺傳定律被三個科學家同時證明，之后的10年仍然被人們不斷懷疑和論證。摩爾根用了19年的時間證明了基因在染色體上，發現了基因的連鎖和互換定律，發現了基因在染色體上呈線性排列等。包括遺傳定律發現過程中的很多實驗都是在一次次失敗中研究出來的。

2 遺傳定律HPS教學中科學精神的培養策略

2.1 加深教師對科學精神的理解與重視 隨著教育綜合改革的推進，立德樹人的思想深入人心，科學精神是學生六大核心素養之一，學科教師要充分認識到科學精神的重要性。利用HPS培養學生科學精神時，教師必須對HPS中科學精神進行歸納和總結，深刻挖掘和理解HPS中的科學精神。例如遺傳定律HPS的科學精神，如果教師都不清楚知道，更難促進學生科學精神的養成。而且，在教學設計時，要重點突出科學精神的教學目標。并將其與HPS結合起來，學生通過HPS的經歷和體驗，在潛意識中養成科學精神。

2.2 加強HPS中實驗、實踐教學 相比于科學知識和科學方法，科學精神是無形的，不容易實際操作。僅靠教師在課堂教學中講授是無法真正實現科學精神養成的。因此，可以嘗試進行實驗、實踐教學，讓學生在實驗、實踐中體會科學精神。例如遺傳定律HPS教學中，可以讓學生在研究性課題中去培養小麥植株，并進行小麥植株的雜交實驗，統計實驗數據。在這個過程中，學生更能養成科學精神。

2.3 實施科學精神的教學行為評價 當前科學教學測評中，對科學精神的評價較少。這也是科學精神被忽視的重要原因。很多教師認為科學精神是屬于精神層面的，具有意識能動性，很難客觀地評價。精神的養成是一個以行為影響思維的過程[3]，為此，可以通過對學生學習過程及行為的綜合測評來評價學生的科學精神。教師在課堂教學中，可以通過考查學生在平時的學習表現和精神狀態評價學生的科學精神。例如，關注學生是否經常參與和獨立思考，是否經常進行批判和質疑，是否表現出堅持不懈、不怕困難和挫折的品格等。